随着全球经济和社会的发展,传统化石能源被过量开发利用导致快速消耗,由此引发的能源危机与环境污染问题也越来越严重。可再生能源的开发成为当务之急,其中高效储能技术是可再生能源规模化利用的关键一环。在已发展的储能体系中,锂氧气电池凭借其超高的理论能量密度引发人们的研究兴趣和关注,有望突破锂离子电池能量密度的限制,被应用在下一代能源储存系统中。虽然经过研究人员多年的发展,锂氧气电池已获得长足的进步。但是要获得实用的锂氧气电池至今仍是很大的挑战,因为目前非水系锂氧气电池中使用的传统有机液态电解质存在蒸发、易燃、差的热稳定性和低的化学/电化学稳定性等问题,以及锂金属负极存在锂枝晶生长和腐蚀等问题,这些导致锂氧气电池放电容量低、循环性能差和安全隐患大。为解决这些问题,本论文首先探索和开发出稳定耐用的深共晶电解质用于锂氧气电池并有效提高电化学性能,进一步发展和设计高性能固态电解质及电池结构用于固态锂氧气电池提升安全性和电化学性能,主要内容如下:1.为解决传统有机液态电解质化学、电化学和热稳定性差等问题,我们率先开发了一种酰胺类深共晶电解质用于锂氧气电池。N-甲基乙酰胺（NMA）与双三氟甲烷磺酰亚胺锂（Li TFSI）按照一定摩尔比混合,NMA和Li TFSI相互作用后转变为深共晶电解质。该NMA基深共晶电解质综合继承了酰胺类电解质、离子液体和熔盐电解质的优点,同时也克服了它们的缺点。而且与常用的四乙二醇二甲醚（TEGDME）基电解质相比,NMA基深共晶电解质表现出更高的锂离子传导率、更高的热稳定性、更宽的电化学稳定窗口以及对活性氧物质高的化学稳定性。得益于这些优良的性能,使得NMA基锂氧气电池的电化学性能显著提高,放电容量为8647 m Ah g-1和在容量限制为1000 m Ah g-1时循环性能为280次,约是TEGDME基锂氧气电池的3倍;即使容量限制为5000 m Ah g-1,也可稳定循环50次。这些说明酰胺类深共晶电解质在苛刻的锂氧气电池运行环境中表现出优异的稳定耐用性。此外,深共晶电解质在锂氧气电池中的成功应用拓宽了高性能电解质的选择范围。2.基于以上工作,我们采用廉价的尿素作为原料去合成耐高温安全的深共晶电解质,将尿素与锂盐按照一定的摩尔比混合,两种高熔点的固体可形成液态尿素基深共晶电解质。已经工业化生产的尿素廉价易得,使电解质也具有合成简单的特点。而且尿素基深共晶电解质燃烧困难和拥有优异的热稳定性,使电池的安全性得到了很大程度的增加。重要的是,尿素基锂氧气电池获得更高的放电容量(13698 m Ah g-1),使用磷酸铁锂作为负极和Super P作为正极时电池稳定循环超过500次。尿素基锂氧气电池的循环性能是TEGDME基锂氧气电池的十倍以上。即使在深度充放电时,尿素基锂氧气电池也超过50次循环。制备简单、耐高温和不易燃的尿素基深共晶电解质助力获得安全且电化学性能优良的锂氧气电池,该深共晶电解质具有很大的应用潜力。3.为进一步提升安全性,解决液态锂氧气电池和传统固态锂氧气电池中存在的难题,我们设计了三维无机纳米纤维框架支撑的固态电解质/电极一体化结构用于先进的固态锂氧气电池。在一体化结构的上层形成了高性能复合固态电解质,有效提高了电解质的锂离子传导率和抑制了锂枝晶的生长,而且保护锂金属负极免受水氧等的攻击。电解质和电极共用相同的三维陶瓷纳米纤维骨架,这不同于传统固态锂氧气电池中相互独立的电解质/电极结构,一体化的电解质/电极结构有效增加界面接触和降低界面阻抗。因此,一体化固态锂氧气电池表现出优良的电化学性能,包括高的放电容量和长的循环性能。得益于柔性的电解质/电极一体化结构,所组装的袋式锂氧气电池呈现出优良的柔韧性和安全性。一体化复合固态电解质/电极结构为设计新型固态锂氧气电池提供了新的思路。